日前，鄭州大學材料科學與工程學院張佳楠教授課題組在異質單原子氮還原電催化劑方面取得新進展。相關成果以“Boosting Nitrogen Reduction to Ammonia on FeN₄ Sites by Atomic Spin Regulation”為題發表在材料領域期刊《Advanced Science》上，論文第一作者為材料科學與工程學院研究生王亞瑾碩，通訊作者為張佳楠教授，鄭州大學為唯一通訊單位。

氨是日常生活中重要的化肥和工業化學品的原料，對農業和工業都是必不可少的。目前，工業合成氨主要是Haber-Bosch方法，其需要在高溫(400-600°C)和高壓(20-40MPa)條件下進行，消耗大量能源，并排放CO₂。電化學固氮（NRR）以水為氫源，反應可在常溫常壓下進行，且可通過太陽能或風能等綠色能源轉化的電能驅動，被認為是一種潛在的合成氨替代技術。在眾多NRR電催化劑中，單原子催化劑因其原子利用率高，具有優異的催化活性和選擇性。值得注意的是，異質單原子(h-SAs)的長程耦合可以改變活性位點的電子結構，從而調整過渡金屬的自旋態，為提高其催化活性提供可能性。

自旋調節對于NRR的影響研究較少，針對這一問題，課題組通過低溫熔融聚合的方法成功制備了異質過渡金屬Fe、Mo酞氰聚合物電催化劑，其原子分散的FeN₄和MoN₄位點共同錨定在聚酞菁有機骨架(PPc)中。實驗結果與理論計算表明，MoSAs的引入導致Fe自旋態發生改變，促進了NRR過程。自旋改變后，法拉第效率和產氨速率分別提高2倍。該工作巧妙地通過改變特定的局部環境來優化電子結構以提升電催化性能，為NRR電催化劑提供了一個合理的設計原則。該項工作與該團隊前期發表在Nature Communications和Applied Catalysis B:Envrion上關于電子自旋結構調節的過渡金屬催化材料形成系列工作。

該研究得到了國家自然科學基金、河南省高層次人才、河南省教育廳創新人才，鄭州大學青年科技創新專項基金等的支持。

全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202102915